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氦星裸衣戰脈沖——中國天眼捕捉到極罕見雙星

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在距離地球8000光年的銀河系深處,一場驚心動魄的決斗正在上演。其中一顆星放出強大的脈沖,仿佛手持激光劍,而另一個,則已經甩掉了外衣……

北京時間2025年5月23日,國際學術期刊《科學》在線發表中國科學家一項最新研究成果。中國科學院國家天文臺韓金林研究員帶領團隊利用中國天眼FAST發現了一個罕見的毫秒脈沖星,與伴星以3.6小時的周期相互繞轉,但有長達 1/6 的時間被伴星遮擋……

【毫秒脈沖星】

位于貴州的“中國天眼”FAST,世界上最大的單孔徑射電望遠鏡,500米的直徑賦予它無比銳利的眼神。

2021年,在位于天箭座這片毫不起眼的狹小天區內,FAST發現了一顆自旋周期僅10.55 毫秒的脈沖星——1秒鐘里能轉上近100圈!這種神秘的天體是大質量恒星死亡后留下的殘骸,一顆直徑只有大約 20 公里,質量卻和太陽相當的中子星。它們一邊高速旋轉,一邊通過兩端磁極釋放出無線電波。這種無線電波的波束很集中,周期很穩定,就像心跳一般,被稱為“脈沖”。像這種脈沖 間隔短于 30 毫秒的就是 毫秒脈沖星。


脈沖星 PSR J1928+1815 在天空中的位置(來源:水兄/Stellarium模擬)

【它不是一個人】

天文學家依照慣例,用脈沖星所在位置為其編號PSR J1928+1815。很快,通過后續的觀測,天文學家發現這個脈沖星并不一般。每過3.6 小時,脈沖信號就會突然下降,而且一掉就“長達”約 37 分鐘。


PSR J1928+1815 脈沖的周期性消失(來源:Z. L. YANG et al. 2025)

周期性地出現這種現象,很容易就讓人想到 這不是一顆孤立的毫秒脈沖星,而是一對雙星。 有人說它們像一對舞者,跳著快速波爾卡。可是真實情況或許沒有并沒有那么浪漫。我們繼續往下看。

不管怎樣,正是因為伴星的遮擋,才會出現信號的“短暫”消失。但問題是,這個“暫時”似乎長了一些——伴星遮擋時間居然占據軌道周期的17%! 什么恒星能“胖”成這樣??


脈沖星示意動畫(來源:網絡)

【這也不是那也不像】

又是毫秒脈沖星,又是相互繞轉遮掩,這不就是一類特殊天體食雙星毫秒脈沖星(eclipsing binary millisecond pulsars)嗎?這類天體俗稱蜘蛛類脈沖星(spider pulsar)。說到這,讓我想起 2 年前寫過的一篇科普文章《》,其中提到的脈沖星 PSR J1953+1844也是 FAST 發現的,其伴星質量在 0.047~0.097M⊙ 之間(懷疑處在從“紅背蜘蛛”狀態向“黑寡婦”狀態演化的階段 )。


“黑寡婦”脈沖星系統演示動畫(來源:NASA Goddard Flight Center)

這一次,為了搞清楚情況,天文學家對脈沖星 PSR J1928+1815 持續了 4.5 年的觀測,并進行了模型擬合。首先,排除這顆伴星是白矮星或中子星的可能。如果嚴格按照定義來說,白矮星和中子星都不能算恒星,它們都是恒星“身后之物”,也就是殘骸。它們都屬于 致密星, 白矮星的質量不超過太陽 1.44 倍,體積和地球差不多;中子星在前文中已講過,直徑小如一座城市。因此,它倆都不可能對 PSR J1928+1815 形成長時間的遮擋。


地球、白矮星和中子星(來源:網絡)

那么會不會是又一個“蜘蛛類脈沖星”呢?根據理論模型以及觀測數據, PSR J1928+1815 的質量可能在1.1~2.2 M⊙之間( M⊙是太陽質量的意思 )。這樣的話,根據距離、周期判斷,伴星的質量將達到 1 M⊙ 以上,這就大大超過了“蜘蛛類脈沖星”伴星的質量上限。因此這種情況也被排除。

但是,伴星也不太可能是像太陽這樣的恒星。軌道周期只有 3.6 小時,這意味著軌道半徑只有 50 萬公里。而我們的太陽半徑有 70 萬公里呢。換言之,這樣一條致密軌道里是塞不進一顆普通恒星的。因此天文學家有理由懷疑伴星并不是普通恒星。(聽上去好像是廢話。然而科學就是一步一步在推理中得到一個最可能的結論。)

【衣服也不要了】

既不能是顆正常的成熟恒星,也不能是死亡后的致密星,那么是否可能正處在主序后至死亡前的特殊恒星?即“主序后恒星”(post-main-sequence star或 evolved star )。

插播一下“主序”的概念。主序星是一顆正處于穩定燃燒的壯年期恒星(因位于赫羅圖主序而得名),例如我們的太陽就是一顆主序星。等太陽到了晚年,參與核聚變的氫消耗殆盡,內核收縮,外殼膨脹,看上去就“發福”了。太陽的未來可能膨脹到地球軌道附近,成為一顆紅巨星。


赫羅圖(來源:網絡)

PSR J1928+1815 的伴星連太陽大小的恒星都不可能,那就更不可能是紅巨星了,而應該是已經脫掉外衣——氫外殼——只剩下氦核(氫核聚變留下的產物) 的星。

它可能已經走過的紅巨星的階段,那時候它曾把脈沖星整個包裹起來,成為罕見的共包層雙星(common envelope binary。而脈沖星的前身是質量更大的 恒星 ,更早地走完了演化歷程。在共包層雙星階段,脈沖星不斷吸積伴星的氫殼層。根據理論,獲得能量補充的脈沖星,旋轉速度 也得到進一步提升,從而形成了毫秒脈沖星,雙星軌道也隨之收縮。

最后的結果只有兩種:要么兩顆星劇烈地撞在一起,形成新的中子星,或者同歸于盡變成黑洞;要么共有包層被拋射 ,伴星徹底變成“光膀子”的氦星。


共包層密近雙星的演化(來源: Charles University )

【極為罕見】

這種場景不能算很少見,而是極為罕見!

天文學家通過模擬發現,要讓脈沖星自轉速度加快到 10.55 毫秒,那么它至少從伴星身上吸積了至少 0.01 個太陽質量的物質。兩顆星共有包層的時間不超過 1000 年。即便處在現在這種毫秒脈沖星+氦星的狀態,時間上也不過是1000 萬年,這對數億十年壽命的恒星而言,只是一個很短的片段。

更重要的是,天文學家計算表明,一個毫秒脈沖星加上一個質量為 1.1~2.2 M⊙ 的氦星,并且處于軌道周期 0.1~0.2 天的,這樣的組合出現的概率僅為每百萬年 1.3~7.2 個,也就是說,整個銀河系中估計只有 16~84 個這樣的密近雙星系統!銀河系恒星數在 3000億~4000億,比牛毛還多,發現一例是不是堪比彩票中了頭獎?

洛希瓣溢流Roche-lobe overflow


PSR J1928+1815 掩食脈沖星雙星系統演化示意圖。它們最有可能經歷了以下過程:Ⅰ. 中子星+主序星階段; Ⅱ. 中子星+氫洛希瓣溢流( Roche-lobe overflow )階段; Ⅲ . 中子星+共包層(common envelope)階段。當前位于 Ⅳc. 中子星+氦星階段。未來可能經歷 Ⅴ. 第二次中子星+氦洛希瓣溢流階段; Ⅵ. 中子星+白矮星階段 (來源: Z. L. YANG et al. 2025 )

天文學家繼續推測,未來,隨著氦的繼續燃燒,這對雙星又將進入持續約 10 萬年的物質交換,脈沖星的自轉速度可能再次提升。到最后,它們將 構成分離式的密近雙星,分別為1.41 倍太陽質量的毫秒脈沖星 + 0.82倍太陽質量的碳氧白矮星,軌道周期為 6.2 小時。

“中國天眼”的這項發現因其獨特性而具有極高的科學價值。它將有助于我們深入理解雙星演化的具體過程,尤其是兩顆星如何接近繼而導致軌道收縮、如何產生引力波、密近雙星之間如何進行物質交流、毫秒脈沖星如何形成、共有包層何時以及如何被吹散、氦星形成過程等一系列的問題。

科學研究需要孜孜不倦,也要連連好運。


本次發現宣傳海報(來源:中國科學院國家天文臺)

參考資料:

[1] 中國科學家發現罕見掩食脈沖星(https://www.nao.cas.cn/news/gd/202505/t20250523_7790316.html)

[2] Z. L. Yang, J. L. Han, D. J. Zhou et al. A pulsar-helium star compact binary system formed by common envelope evolution.

(DOI: 10.1126/science.ado0769)

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